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直流电机转速控制器毕业论文

摘要

当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。

长期以来，直流电机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。

它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂化设备中。

随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

本设计通过PWM方式控制直流电机调速，采用了C语言来控制单片机产生PWM信号，将信号输入L298N芯片驱动电机，通过改变输入电压的占空比，从而实现直流电机速度的控制。

论文针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。

硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以AT89S51单片机为核心的硬件构成，对调速电路、检测电路、显示电路等作了详细阐述；软件部分采用模块化设计思想，论述了软件的设计思想和方法；实现了对直流电机的快速启动和停止，电机转速的设置、调控和显示功能。

利用AT89S51芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。

关键词：

单片机；PWM；直流电机；转速控制

Abstract

Nowadays,automaticcontrolsystemhasbeenwidelyusedandgreatlydevelopedinallwalksoflife.Asthedominantpartofelectricdrive,directcurrent（DC）controlplaysanimportantroleinmodernproduction.Foralongtime,DCmotorsholdadominantpositionintransmissionfieldwiththecharacteristicsofmoreflexibleandsimplespeedadjustment,smoothlytiminginalargescale,andgoodcontrolperformance.DCmotorsarewidelyusedinfactoryequipmentofnumericalcontrolmachine,industrialrobot,etc.Withtheconstantexpansionofmodernproduction,thedemandforDCmotorsisincreasedandahigherrequestisputforward.Thus,itisofgreatpracticalsignificancetoresearchandmakeahighperformanceandreliabilityDCmotorcontrolsystem.

ThedesigncontrolsDCmotorsspeedregulationthroughthemethodofPWM,usesClanguagetocontrolthemicrocontrollerandthengeneratesPWMsignals.ItistoinputthesignalsintoL298Ndrivechip,byusingthecontrolmethodofchangingthedutyratiooftheinputvoltage,andthenmaketheDCmotorspeedcontrolcometrue.

Thepapermakesadetaileddiscussiononsoftwareandhardwareofcontrollingsystemonthebasisofthedesignedcontrolsystem.Afteradissertationonthewholedesignof,hardwarestructurewithAT89S51microcontrollerasthecoreisintroduced,andthenspeedcontrolcircuit,detectioncircuitanddisplaycircuitareexpounded.Inthepartofsoftware,moduleideaisadopted,thedesignideaandmethodisdiscussedandsetting,start,stop,controllinganddisplayfunctionsoftheDCelectricalmotorrotationparametersareachieved.ThedesignofusingAT89S51chiptodolowcostDCelectricalmotorcontrolsystemcansimplifysystemstructure,reducesystemcost,enhancesystemperformanceandmeetmoreapplicationneeds.

Keywords：

microcontroller;PWM;DCelectricalmotor;speedcontrol

引言

直流电机的定义：

将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：

模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而用PWM技术后，能避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。

并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1总体方案设计

1.1任务要求

（1）单片机进行设定并驱动直流电机转动

（2）直流电机的转速显示在数码管上

（3）对直流电机转速进行控制

（4）直流电机的启动

（5）直流电机的停止

1.2方案论证

1.2.1电机调速控制模块的选择方案

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用集成芯片L298N。

L298N是SGS（通标标准技术服务有限公司）公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点，使用它和PWM技术可控制驱动电流大小以达到电机速度的调整。

鉴于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、外围电路少、过载能力大，因此本设计采用方案二。

1.2.2电机测速模块的选择方案

方案一：

使用霍尔传感器。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。

对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。

其对硬件电路要求也要高。

方案二：

使用光电码盘。

光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。

工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。

但其使用较麻烦，准确度与反应速度不高，对软件方面要求也高。

方案三：

使用光电开关。

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

接上电路单片机检测到光电管的状态变化，得到信号。

安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。

鉴于方案一测速性能优良、价格便宜、调速范围广、使用简单，因此本设计采用方案一。

1.2.3电机转速显示模块的选择方案

方案一：

使用LED数码管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

为满足本设计要求，可用4位一体数码管进行显示。

方案二：

使用液晶LCD1602。

1602是能显示2行，每行16个字符，字符包括英文字符及阿拉伯数字，但其不能显示汉字。

方案三：

使用液晶LCD12864。

带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。

利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

鉴于方案一显示性能符合基本要求、价格便宜、使用范围广、使用简单，因此本设计采用方案一。

1.2.4控制器的选择方案

方案一：

采用AT89S51八位单片机实现。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S51单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

另外AT89S51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

方案二：

采用AT89C51单片机实现。

AT89C51是一种带4K字节Flash存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，Atmel的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

方案三：

采用AT89S52单片机实现。

AT89S52单片机与AT89S51单片机基本相同，区别在于AT89S52单片机内含8K在线系统可编程Flash存储器，存储容量比AT89S51单片机多出一倍。

鉴于AT89S51单片机操作简单，性能优良，且价格便宜，满足设计要求，故选择方案一。

数码管显示

单片机AT89S51输出控制信号给L298N

输入转速

L298N驱动直流电机转动

霍尔传感器检测电机转速

将转速反馈给单片机进行调整

1.3总体方案选择

图1-1系统框图

通过比较，采用L298N芯片驱动直流电机，电机测速使用霍尔传感器，显示部分使用4位一体共阳数码管，控制器采用AT89S51单片机。

系统框图如图1-1所示。

本系统以单片机为核心，组成一个集输入电机转速、启动电机、停止电机、显示电机转速、控制电机转速为一身的直流电机转速控制系统。

系统硬件电路主要由霍尔传感器、AT89S51单片机最小系统、L298N驱动电路、直流电机、10孔ISP下载器、4位一体共阳数码管和若干按键组成。

本设计以PWM控制理论为基础，通过改变电压的占空比实现直流电机的转速控制。

通过按键输入设定转速值，在单片机AT89S51的控制下，通过C程序来控制单片机产生PWM信号，并自动调整PWM信号的占空比，将信号输入到L298N芯片驱动电机从而达到控制直流电机转速的效果。

将直流电机连接一无磁性转盘并带动转盘等速转动，将磁铁固定在转盘上，并利用霍尔传感器结合单片机片外部中断通过测频法便可检测出电机转速，将转速反馈给单片机进行转速调整并通过数码管实时显示转速。

本设计是以Atmel公司的AT89S51八位单片机作为控制核心，单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制；而且支持在线下载，体积小，硬件实现简单，安装方便。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

本装置采用较低成本的器件设计制作，完全满足速度控制系统的要求，具有较高的性价比。

2硬件电路的设计

本课题设计的外围电路主要包括：

AT89S51单片机最小系统电路、转速检测电路、L298N驱动电路、显示电路以及ISP下载电路等。

下面将对各个模块进行说明。

2.1AT89S51单片机最小系统电路

所谓单片机最小系统，是指组成一个独立工作的单片机系统时，芯片和连接各芯片之间的总线少得不能再少。

AT89S51单片机最小系统由单片机芯片、外接晶振时钟电路和复位电路三部分组成。

2.1.1AT89S51单片机芯片简介

AT89S51是美国Atmel公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，Atmel公司的功能强大、低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

2.1.2AT89S51的管脚排列

图2-1AT89S51管脚排列

2.1.3晶振电路

CPU的正常工作离不开稳定准确的时钟信号。

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。

MCS-51单片机的时钟信号可以由两种方式产生：

一种是内部方式，利用芯片的内部振荡电路结合外接晶振来产生时钟信号；另一种方式为外部方式，时钟信号由外部引入。

在任一时刻，只需要一种振荡电路便能使单片机正常工作。

本设计采用的是内部方式，使用内振荡电路提供时钟脉冲，需要在XTAL1和XTAL2之间外接石英晶体振荡器或陶瓷振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个增益放大器，和晶振连接在一起形成一个正反馈的自激振荡，再经整形和分频形成单片机内各逻辑部件所需的时钟脉冲。

具体连接方式如图2-2所示。

晶振一般选用12MHz晶振，两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个管脚上和对地的电容，一般在几十皮法。

它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，这里采用30pF。

图2-2晶振电路

2.1.4复位电路

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

高电平动作，当要对晶片重置时，只要对复位引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作。

复位电路工作原理如图2-3所示。

图2-3复位电路

2.2转速检测电路

在工业过程实时控制中，转速的检测一般占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。

对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。

转速是工程中应用非常广泛的一个重要参数，其测量方法众多，随着适应现代科技发展的要求，在测量范围和测量精度上有了更高的要求，所以对于转速的测量将变得更有意义。

转速测量的方法有很多，根据工作原理可以分为计数式、模拟式、同步式。

计数式是用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出有瞬时转速引起的某种物理量的变化；同步式是利用已知的频率与旋转体的旋转来测量转速，根据不同的转换方式测量方式也不尽相同。

本设计采用霍尔传感器检测电机转速。

霍尔传感器是一种磁传感器。

用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。

霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2-4所示，是其中一种型号的外形图。

图2-4霍尔传感器样品

霍尔传感器的特性：

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在一定的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

利用霍尔传感器测转速是在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），结合单片机定时器，便可测出转速。

2.2.1霍尔元件3144简介

3144霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。

图2-5霍尔元件3144管脚排列

管脚说明：

1.电源2.地3.输出

特点：

体积小、电压范围宽、一致性好、灵敏度高、精确度高、响应速度快、温度性能好、电路功耗低、可靠性高、可和各种逻辑电路直接接口。

可实现功能：

无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测。

典型应用领域：

直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、编码器、安全报警装置无触点开关、汽车点火器、刹车电路、转速检测与控制、纺织控制系统、自动化控制领域等。

2.2.2霍尔元件的使用注意事项

霍尔元件是一种敏感器件，除了对磁敏感外，对光、热、机械应力均有不同程度的敏感，因此在使用过程中，应注意如下几点：

机械应力：

由于机械应力会造成霍尔元件磁敏感度的漂移，在使用安装中应尽量减少施加到电路外壳和引线上的机械应力。

热应力：

为避免霍尔元件的非正常损坏，焊接时，温度应低于260℃，时间少于4秒，焊接点距离元件引线上根部3mm以外。

霍尔元件的工作电压不得超过说明书规定的Vcc，需要在1、3脚（电源与输出）之间加一上拉电阻。

上拉电阻的阻值与工作电压、通过电路的电流有关。

2.2.3霍尔元件3144的电路设计

图2-6霍尔开关电路

管脚1提供+5V稳压电源，管脚2接地，输出信号管脚3连接AT89S51单片机INT0管脚，管脚1和3之间连接4.7K负载电阻。

当磁源靠近霍尔开关时，输出管脚3便产生低电平脉冲信号，通过单片机内部定时器/计数器及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。

同时，由于产生低电平信号，连接在1、3管脚间的发光二极管导通，产生亮灯信号。

2.3数码管显示电路

2.3.1数码管简介

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

2.3.2数码管的驱动方式

LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出需要的数字，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

动态显示驱：

LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另

图2-7数码管段码排列图

外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1~2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

2.3.3数码管显示电路设计

图2-8数码管显示电路和上拉电阻电路

本设计采用4位一体共阳数码管，阴极分别接单片机P0.0-P